ES2914412T3 - Out-of-plane jointing for micro and nanoelectromechanical systems with reduced nonlinearity - Google Patents
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Abstract
Articulación entre al menos un primer elemento (S) y al menos un segundo elemento (M) de un sistema microelectromecánico, siendo el dicho primer elemento (S) y el dicho segundo elemento (M) móviles entre sí al menos en una dirección fuera de plano, comprendiendo la dicha articulación una primera parte (4) rígida, una segunda parte (6) solidaria de la primera parte (4) por un extremo y destinada para ser anclada en el primer elemento, estando la dicha segunda parte (6) configurada para ser deformable en flexión en una primera dirección (Z), y dos terceras partes (8) solidarias de la primera parte (4) y destinadas para ser ancladas en el segundo elemento, estando las terceras partes (8) configuradas para deformarse en flexión a lo largo de una segunda dirección (X) ortogonal a la primera dirección (Z).Articulation between at least one first element (S) and at least one second element (M) of a microelectromechanical system, said first element (S) and said second element (M) being movable relative to each other at least in one direction away from flat, said joint comprising a first rigid part (4), a second part (6) integral with the first part (4) at one end and intended to be anchored in the first element, said second part (6) being configured to be deformable in bending in a first direction (Z), and two third parts (8) integral with the first part (4) and intended to be anchored in the second element, the third parts (8) being configured to be deformed in bending along a second direction (X) orthogonal to the first direction (Z).
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Articulación fuera de plano para sistemas micro y nanoelectromecánicos con no linealidad reducidaOut-of-plane jointing for micro- and nanoelectromechanical systems with reduced nonlinearity
Campo técnico y estado de la técnica anteriorTechnical field and prior art
La presente invención se refiere a una articulación fuera de plano para sistemas microelectromecánicos y/o nanoelectromecánicos que ofrecen una no linealidad reducida y a un sistema que implementa al menos dos de tales articulaciones.The present invention relates to an out-of-plane joint for microelectromechanical and/or nanoelectromechanical systems that offer reduced nonlinearity and to a system that implements at least two such joints.
Los sistemas microelectromecánicos o MEMS (microelectromechanical systems en terminología anglosajona) y los sistemas micro y nanoelectromecánicos o sistemas M&NEMS (micro & nanoelectromechanical systems en terminología anglosajona) se utilizan para realizar sensores o actuadores. Comprenden al menos un elemento móvil con respecto a un sustrato. Por ejemplo, en el caso de un sensor, se mide el desplazamiento de la parte móvil o masa y se puede traducir en una característica por detectar, por ejemplo, una aceleración, y en el caso de un actuador, el elemento móvil es desplazado, por ejemplo, por medio de fuerzas electrostáticas, por ejemplo, para desplazar un microespejo.Microelectromechanical systems or MEMS (microelectromechanical systems in Anglo-Saxon terminology) and micro and nanoelectromechanical systems or M&NEMS systems (micro & nanoelectromechanical systems in Anglo-Saxon terminology) are used to make sensors or actuators. They comprise at least one mobile element with respect to a substrate. For example, in the case of a sensor, the displacement of the moving part or mass is measured and can be translated into a characteristic to be detected, for example, an acceleration, and in the case of an actuator, the moving element is moved, for example, by means of electrostatic forces, for example, to displace a micromirror.
El elemento móvil está suspendido con respecto al sustrato y según las aplicaciones se puede desear que tenga un desplazamiento en el plano del sistema o un desplazamiento fuera de plano, es decir, ortogonalmente al plano del sistema. The moving element is suspended with respect to the substrate and depending on the applications it may be desired to have a displacement in the plane of the system or a displacement out of plane, that is, orthogonal to the plane of the system.
Cuando el elemento móvil tiene un desplazamiento de gran amplitud en la dirección fuera de plano, la zona de conexión puede presentar una no linealidad significativa.When the movable member has a large amplitude displacement in the out-of-plane direction, the connecting region may exhibit significant non-linearity.
Este comportamiento no lineal se ilustra en las Figuras 1A a 1C. La masa M móvil está suspendida al sustrato S por una articulación A formada por una fina membrana. El desplazamiento en la dirección Z de la masa M provoca una deformación de la membrana en el primer orden en la dirección Z y en el segundo orden en la dirección X. Cuando el desplazamiento de la masa en la dirección Z es significativo, el alargamiento de la membrana en la dirección X (Figura 1B) ya no es insignificante. Como resultado, la fuerza de retracción ejercida por la membrana sobre la masa no es lineal (Figura 1C) y varía de manera significativa con el desplazamiento en la dirección Z. Esta no linealidad puede afectar sustancialmente la respuesta del sistema, por ejemplo, en el caso de un sensor, y puede hacer que este último no sea fiable.This nonlinear behavior is illustrated in Figures 1A to 1C. The mobile mass M is suspended to the substrate S by a joint A formed by a thin membrane. The displacement in the Z direction of the mass M causes a deformation of the membrane in the first order in the Z direction and in the second order in the X direction. When the displacement of the mass in the Z direction is significant, the elongation of the membrane in the X direction (Figure 1B) is no longer insignificant. As a result, the retractive force exerted by the membrane on the mass is nonlinear (Figure 1C) and varies significantly with displacement in the Z direction. This nonlinearity can substantially affect the response of the system, for example, in the case of a sensor, and can make the sensor unreliable.
El documento US 2015/033860 A1 de la técnica anterior describe una articulación entre al menos un primer elemento y al menos un segundo elemento de un sistema microelectromecánico, siendo el dicho primer elemento y el dicho segundo elemento móviles entre sí al menos en una dirección fuera de plano, comprendiendo la dicha articulación una segunda parte destinada para ser anclada en el primer elemento, estando la dicha segunda parte configurada para deformarse en flexión en una primera dirección, y dos terceras partes destinadas para ser ancladas en el segundo elemento, estando las terceras partes configuradas para deformarse en flexión a lo largo de una segunda dirección ortogonal a la primera dirección.Prior art document US 2015/033860 A1 describes an articulation between at least one first element and at least one second element of a microelectromechanical system, said first element and said second element being movable relative to each other at least in one direction away from each other. flat, said articulation comprising a second part intended to be anchored in the first element, said second part being configured to deform in bending in a first direction, and two third parts intended to be anchored in the second element, the third being portions configured to deform in bending along a second direction orthogonal to the first direction.
Exposición de la invenciónExhibition of the invention
Por consiguiente, es un objetivo de la presente invención ofrecer una articulación para un sistema MEMS o M&NEMS capaz de presentar una baja no linealidad y un sistema MEMS o M&NEMS cuya parte móvil pueda tener un desplazamiento en translación fuera de plano significativo presentando a la vez una baja no linealidad.Therefore, it is an object of the present invention to provide an articulation for a MEMS or M&NEMS system capable of exhibiting low non-linearity and a MEMS or M&NEMS system whose moving part may have significant out-of-plane translational displacement while exhibiting low non-linearity. low nonlinearity.
El objetivo enunciado más arriba se logra a través de una articulación destinada a conectar un primer elemento y un segundo elemento de un sistema MEMS o M&NEMS, que comprende una primera parte rígida en las tres direcciones del espacio, una segunda parte conectada a la primera parte y destinada para ser conectado al primer elemento, siendo la segunda parte fina y destinada para extenderse en el plano del sistema, y capaz de ser deformada en flexión en la dirección fuera de plano, y dos terceras partes configuradas para deformarse en flexión en el plano, estando las dos terceras partes conectadas cada una a un extremo de la primera parte de modo que, cuando hay un desplazamiento relativo entre el primer y el segundo elemento en la primera dirección, la primera parte se deforme en flexión en la dirección fuera de plano y las dos terceras partes se deformen en flexión según una dirección del plano. Las terceras partes ofrecen entonces un alargamiento en el plano que permite limitar la deformación de la primera parte en el plano, y por lo tanto reduce la no linealidad de la articulación.The objective stated above is achieved through an articulation intended to connect a first element and a second element of a MEMS or M&NEMS system, comprising a first part rigid in the three directions of space, a second part connected to the first part and intended to be connected to the first element, the second part being thin and intended to extend in the plane of the system, and capable of being flexurally deformed in the out-of-plane direction, and two third parts configured to be flexurally deformed in the plane , the two third parts being each connected to one end of the first part such that, when there is a relative displacement between the first and second elements in the first direction, the first part deforms in bending in the out-of-plane direction and two-thirds are deformed in bending along a plane direction. The third parts then offer an elongation in the plane that makes it possible to limit the deformation of the first part in the plane, and therefore reduces the non-linearity of the joint.
Gracias a la invención se reduce la deformación en el plano de la primera parte, incluso evitada por la ligera puesta en flexión de las terceras partes que acompañan a la primera parte en su desplazamiento en el plano.Thanks to the invention, the deformation in the plane of the first part is reduced, even avoided by the slight bending of the third parts that accompany the first part in its displacement in the plane.
En otros términos, se realiza una articulación compuesta que comprende varias partes que aseguran cada una, pegue función y que permite reducir la no linealidad de la articulación. La articulación combina al mismo tiempo una articulación obtenida por un elemento solicitado en flexión en la dirección fuera de plano y una articulación obtenida por los elementos configurados para deformarse en flexión según una dirección en el plano, lo que permite ofrecer la posibilidad de un desplazamiento de gran amplitud en la dirección fuera de plano conservando a la vez un bajo grado de no linealidad. In other words, a composite joint is made that comprises several parts that each ensure a good function and that make it possible to reduce the non-linearity of the joint. The joint combines at the same time a joint obtained by an element stressed in bending in the out-of-plane direction and a joint obtained by the elements configured to deform in bending according to a direction in the plane, which makes it possible to offer the possibility of a displacement of large amplitude in the out-of-plane direction while retaining a low degree of nonlinearity.
De manera muy ventajosa, cada parte se puede diseñar para adaptar las propiedades de la articulación con base en las necesidades, por ejemplo, se puede hacer variar la flexibilidad en la dirección fuera de plano y/o mejorar la guía en una dirección determinada. Very advantageously, each part can be designed to adapt the properties of the joint based on the needs, for example, the flexibility in the out-of-plane direction can be varied and/or the guidance in a certain direction can be improved.
De manera ventajosa, un sistema MEMS o M&NEMS incluye al menos dos articulaciones lo que asegura una muy buena guía en la dirección fuera de plano y al menos una guía en una dirección en el plano.Advantageously, a MEMS or M&NEMS system includes at least two joints which ensures very good guidance in the out-of-plane direction and at least one guidance in an in-plane direction.
Muy ventajosamente, el sistema MEMS o M&NEMS incluye al menos tres articulaciones, y aún más ventajosamente cuatro articulaciones, permitiendo asegurar una guía en la dirección fuera de plano y un muy buen mantenimiento en las dos direcciones del plano.Very advantageously, the MEMS or M&NEMS system includes at least three articulations, and even more advantageously four articulations, making it possible to ensure guidance in the out-of-plane direction and very good maintenance in both directions of the plane.
Por lo tanto, la presente invención tiene por objetivo una articulación entre al menos un primer elemento y al menos un segundo elemento de un sistema microelectromecánico, siendo el dicho primer elemento y el dicho segundo elemento móviles entre sí al menos en una dirección fuera de plano, comprendiendo la dicha articulación una primera parte rígida, una segunda parte solidaria de la primera por un extremo y destinada para ser anclada al primer elemento, estando la dicha segunda parte configurada para ser deformable en flexión en una primera dirección, y dos terceras partes solidarias de la primera y destinadas para ser ancladas en el segundo elemento, estando las terceras partes configuradas para deformarse en flexión a lo largo de una segunda dirección ortogonal a la primera dirección.Therefore, the object of the present invention is an articulation between at least one first element and at least one second element of a microelectromechanical system, said first element and said second element being movable relative to each other at least in an out-of-plane direction. , the said articulation comprising a first rigid part, a second part integral with the first at one end and intended to be anchored to the first element, said second part being configured to be deformable in bending in a first direction, and two third parts integral of the first and intended to be anchored in the second element, the third parts being configured to deform in bending along a second direction orthogonal to the first direction.
En un ejemplo ventajoso, en un estado no deformado, las terceras partes se extienden en un plano ortogonal a un plano en el cual se extiende la segunda parte.In an advantageous example, in an undeformed state, the third parts extend in a plane orthogonal to a plane in which the second part extends.
De preferencia, la segunda parte presenta una dimensión en la primera dirección reducida con respecto a las dimensiones en las otras direcciones.Preferably, the second part has a dimension in the first direction reduced with respect to the dimensions in the other directions.
Por ejemplo, la primera parte se extiende, en la primera dirección, entre un primer plano y un segundo plano, y la segunda parte incluye una cara situada en uno de los planos primero y segundo.For example, the first part extends, in the first direction, between a first plane and a second plane, and the second part includes a face located in one of the first and second planes.
De manera preferida, las terceras partes comprenden al menos dos palas, que se extienden en al menos una parte de la dimensión de la primera parte en la primera dirección, por ejemplo, en toda la dimensión de la primera parte en la primera dirección.Preferably, the third parts comprise at least two blades, which extend over at least part of the dimension of the first part in the first direction, for example over the entire dimension of the first part in the first direction.
En un ejemplo de realización, cada tercera parte incluye una pala, siendo las dos palas coplanares y estando dispuestas de modo que también se deformen en torsión. Por lo tanto, la articulación es más flexible en la dirección fuera de plano. In an exemplary embodiment, each third part includes a blade, the two blades being coplanar and being arranged so that they also deform in torsion. Therefore, the joint is more flexible in the out-of-plane direction.
En otro ejemplo de realización, cada tercera parte incluye dos palas, siendo una pala de cada tercera parte coplanaria con una pala de la otra tercera parte, y las dos palas de una tercera parte están dispuestas entre sí de modo que no se deformen o se deformen poco en torsión. Las palas permiten obtener la linealidad de la articulación sin modificar poco o nada la rigidez fuera de plano de la articulación.In another exemplary embodiment, each third part includes two blades, one blade of each third part being coplanar with a blade of the other third part, and the two blades of a third part are arranged with respect to each other so that they do not deform or deform little in torsion. The blades allow the linearity of the joint to be obtained without modifying little or nothing the out-of-plane stiffness of the joint.
Las segundas partes pueden incluir ventajosamente una estructura de celosía de modo que asegure una flexibilidad en la primera dirección y una determinada rigidez en al menos una tercera dirección ortogonal a las direcciones primera y segunda.The second parts may advantageously include a lattice structure so as to ensure flexibility in the first direction and a certain stiffness in at least a third direction orthogonal to the first and second directions.
Por ejemplo, la segunda parte tiene un espesor en la primera dirección comprendido entre un centenar de nm y algunos micrómetros, una longitud en la tercera dirección y un ancho en la segunda dirección comprendida entre algunos pm y algunas centenas de pm.For example, the second part has a thickness in the first direction between a few hundred nm and a few micrometers, a length in the third direction and a width in the second direction between a few pm and a few hundred pm.
Por ejemplo, las terceras partes tienen un espesor en la primera dirección comprendido entre 10 pm y algunas decenas de pm, un ancho en la segunda dirección del plano comprendido entre 100 nm y algunos micrómetros y una longitud en la tercera dirección comprendida entre algunos pm y algunas decenas de pm.For example, the thirds have a thickness in the first direction between 10 pm and a few tens of pm, a width in the second direction of the plane between 100 nm and a few micrometers, and a length in the third direction between a few pm and a few tens of pm.
Por ejemplo, la primera parte tiene un espesor en la primera dirección, una longitud en la tercera dirección y un ancho en la segunda dirección comprendido entre algunos pm y algunas centenas de pm.For example, the first part has a thickness in the first direction, a length in the third direction and a width in the second direction between a few pm and a few hundred pm.
La presente invención también tiene por objetivo un sistema microelectromecánico que comprende un primer elemento y al menos un segundo elemento, móviles entre sí al menos en una dirección fuera de plano, y al menos dos articulaciones según la invención, cada una anclada al primer elemento y al segundo elemento, y las articulaciones están orientadas de modo que la primera dirección sea la dirección fuera de plano y las direcciones segunda y tercera sean las direcciones en el plano.The present invention also has as its object a microelectromechanical system comprising a first element and at least one second element, movable with respect to each other at least in one out-of-plane direction, and at least two joints according to the invention, each one anchored to the first element and to the second member, and the hinges are oriented so that the first direction is the out-of-plane direction and the second and third directions are the in-plane directions.
Las al menos dos articulaciones están dispuestas de manera simétrica con respecto a un plano de simetría de la parte móvil, conteniendo el dicho plano medio la dirección fuera de plano.The at least two joints are arranged symmetrically with respect to a plane of symmetry of the moving part, said median plane containing the out-of-plane direction.
Por ejemplo, el segundo plano está del lado de la parte fija y la segunda parte incluye una cara que se extiende en el segundo plano.For example, the second plane is on the fixed part side and the second part includes a face that extends into the second plane.
El sistema puede incluir al menos cuatro articulaciones de modo que los ejes de las torsiones de las terceras partes de las articulaciones estén dispuestos de manera ortogonal entre sí.The system may include at least four joints such that the axes of the twists of the third parts of the joints are arranged orthogonal to each other.
Según una característica adicional, el sistema microelectromecánico incluye los medios de puesta en movimiento del segundo elemento al menos en una dirección fuera de plano. According to an additional feature, the microelectromechanical system includes the means for setting the second element in motion at least in one out-of-plane direction.
El sistema microelectromecánico es, por ejemplo, un micrófono.The microelectromechanical system is, for example, a microphone.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
La presente invención se entenderá mejor en base a la siguiente descripción y los dibujos adjuntos en los cuales:The present invention will be better understood on the basis of the following description and the accompanying drawings in which:
- las Figuras 1A y 1B son vistas laterales de un sistema MEMS del estado de la técnica en estado de reposo y en un estado donde la masa se ha desplazado en la dirección fuera de plano y que ilustran el alargamiento de la articulación;Figures 1A and 1B are side views of a prior art MEMS system at rest and in a state where the mass has moved in the out-of-plane direction and illustrating the elongation of the joint;
- la Figura 1C es una representación gráfica del alargamiento de la articulación de las Figuras 1A y 1B, en la dirección X con base en el desplazamiento de la masa en la dirección Z;- Figure 1C is a graphical representation of the elongation of the joint of Figures 1A and 1B, in the X direction based on the displacement of the mass in the Z direction;
- la Figura 2 es una vista en perspectiva de un ejemplo de articulación según la invención;- Figure 2 is a perspective view of an example of a joint according to the invention;
- la Figura 3 es una vista detallada de la Figura 2;- Figure 3 is a detailed view of Figure 2;
- la Figura 4 es una vista desde arriba de la articulación de la Figura 2;- Figure 4 is a top view of the joint of Figure 2;
- la Figura 5 es una vista en perspectiva de un ejemplo del sistema M&NEMS que comprende articulaciones según la invención,- Figure 5 is a perspective view of an example of the M&NEMS system comprising joints according to the invention,
- la Figura 6 es una vista desde arriba de otro ejemplo del sistema M&NEMS que comprende articulaciones según la invención,- Figure 6 is a top view of another example of the M&NEMS system comprising joints according to the invention,
- la Figura 7 es una vista desde arriba de otro ejemplo del sistema que comprende las articulaciones según la invención en un estado de reposo y en un estado de desplazamiento fuera de plano;Figure 7 is a top view of another example of the system comprising the joints according to the invention in a state of rest and in a state of movement out of plane;
- la Figura 8 es una vista desde arriba de otro ejemplo del sistema que comprende tres articulaciones según la invención, - la Figura 9 es una vista desde arriba de otro ejemplo del sistema que comprende cuatro articulaciones según la invención, - la Figura 10 es una vista desde arriba de otro ejemplo de realización de una articulación en la cual las terceras partes se deforman sustancialmente únicamente en flexión.- Figure 8 is a view from above of another example of the system comprising three joints according to the invention, - Figure 9 is a view from above of another example of the system comprising four joints according to the invention, - Figure 10 is a top view of another embodiment of a joint in which the third parts deform substantially only in bending.
Exposición detallada de los modos de realización particularesDetailed exposition of the particular embodiments
En la presente solicitud, se designa por «sistema microelectromecánico» o «sistema MEMS» a un sistema micro y/o nanoelectromecánico, es decir, que comprende elementos que tienen dimensiones micrométricas y/o elementos que tienen dimensiones nanométricas.In the present application, a "microelectromechanical system" or "MEMS system" refers to a micro and/or nanoelectromechanical system, that is, one that comprises elements that have micrometric dimensions and/or elements that have nanometric dimensions.
En las Figuras 2, 3 y 4 se puede observar un ejemplo de una articulación 2 según la invención. En líneas discontinuas están representadas una parte fija o sustrato S de un sistema microelectromecánico y una parte móvil o masa M destinada para ser suspendida al sustrato S por la articulación 2. Se entenderá que la articulación puede realizar la articulación entre dos partes móviles entre sí, y ellas mismas móviles con respecto a un sustrato fijo.In Figures 2, 3 and 4 an example of a joint 2 according to the invention can be seen. In dashed lines, a fixed part or substrate S of a microelectromechanical system and a moving part or mass M intended to be suspended from the substrate S by the articulation 2 are represented. It will be understood that the articulation can make the articulation between two moving parts with each other, and themselves mobile with respect to a fixed substrate.
La articulación 2 está destinada para permitir un desplazamiento fuera de plano de la parte M móvil.The articulation 2 is intended to allow an out-of-plane displacement of the mobile part M.
El plano del sistema está definido por las direcciones X y Y, y corresponde al plano medio del sistema en el cual se extiende la masa M móvil, también es el plano medio de la parte fija.The plane of the system is defined by the X and Y directions, and corresponds to the median plane of the system in which the moving mass M extends, it is also the median plane of the fixed part.
La dirección Z fuera de plano es ortogonal al plano del sistema.The out-of-plane Z direction is orthogonal to the system plane.
La articulación incluye una primera parte 4 rígida.The joint includes a first rigid part 4.
Se entiende por «parte o elemento rígido» a un elemento que no se deforma o poco bajo el efecto de las tensiones aplicadas en general a un sistema MEMS en el caso de un sensor o de un actuador en un funcionamiento normal."Rigid part or element" is understood as an element that does not deform or little under the effect of the stresses generally applied to a MEMS system in the case of a sensor or an actuator in normal operation.
En el ejemplo representado, la primera parte 4 tiene la forma de una viga paralelepipédica que presenta un espesor Tb, un ancho Wb y una longitud Lb. La primera parte se extiende en la dirección Z entre un primer plano P1 y un segundo plano P2 paralelos.In the example shown, the first part 4 has the shape of a parallelepiped beam having a thickness Tb, a width Wb and a length Lb. The first part extends in the Z direction between a parallel first plane P1 and a second parallel plane P2.
El espesor Tb corresponde a la dimensión de la viga según la dirección Z, el ancho Wb corresponde a la dimensión de la viga según la dirección X y la longitud Lb corresponde a la dimensión de la viga según la dirección Y.The thickness Tb corresponds to the dimension of the beam in the Z direction, the width Wb corresponds to the dimension of the beam in the X direction, and the length Lb corresponds to the dimension of the beam in the Y direction.
Las dimensiones Tb, Wb y Lb están, por ejemplo, comprendidas entre algunos pm y algunas centenas de pm.The dimensions Tb, Wb and Lb are, for example, between a few pm and a few hundred pm.
La articulación 2 incluye una segunda parte 6 que presenta un espesor Tm bajo con respecto a su longitud Lm y a su ancho Wm de modo que permita su deformación en flexión según la dirección Z. Las relaciones Tm/Wm y Tm/Lm están, por ejemplo, comprendidas entre 1/100 y 1/10. The joint 2 includes a second part 6 that has a low thickness Tm with respect to its length Lm and its width Wm so as to allow its bending deformation along the Z direction. The ratios Tm/Wm and Tm/Lm are, for example , between 1/100 and 1/10.
Por ejemplo, su espesor Tm está comprendido entre una centena de nm y algunas centenas de nm, su longitud Lm y su ancho Wm están comprendidos entre algunos pm y algunas centenas de pm.For example, its thickness Tm is between a hundred nm and a few hundred nm, its length Lm and its width Wm are between a few pm and a few hundred pm.
Por lo tanto, la segunda parte 6 presenta la forma de una membrana que es solidaria de la primera parte 4 por un primer borde 6.1 que se extiende según la dirección Y, y por un segundo borde 6.2 paralelo al primer borde 6.1 y destinado para ser solidario de la masa M.Therefore, the second part 6 is in the form of a membrane that is integral with the first part 4 by a first edge 6.1 extending in the direction Y, and by a second edge 6.2 parallel to the first edge 6.1 and intended to be in solidarity with the mass M.
La membrana está dispuesta en el ejemplo representado en el plano P2 que delimita la cara inferior de la primera parte en el ejemplo representado. Además, en el ejemplo representado la cara inferior de la masa M también está contenida en el plano P2.The membrane is arranged in the example shown in the plane P2 that delimits the lower face of the first part in the example shown. Furthermore, in the example shown, the lower face of the mass M is also contained in the plane P2.
Como variante, la membrana podría estar anclada a la parte móvil en cualquier posición entre los planos P1 y P2.As a variant, the membrane could be anchored to the mobile part in any position between the planes P1 and P2.
La articulación 2 incluye dos terceras partes 8 que forman las palas y solidarizadas por un borde 8.1 a un extremo de la viga 4.1, 4.2 a lo largo de la dirección Y. Además, las palas se extienden en el plano YZ.The articulation 2 includes two third parts 8 that form the blades and are secured by an edge 8.1 to one end of the beam 4.1, 4.2 along the Y direction. Furthermore, the blades extend in the YZ plane.
Las palas están dimensionadas para poder deformarse en flexión en la dirección X. Por ejemplo, las palas presentan un espesor TI comprendido entre 10 pm y algunas decenas de pm, un ancho Wl comprendido entre 100 nm y algunos micrómetros y una longitud LI comprendida entre algunos pm y algunas decenas de pm.The blades are dimensioned to be able to deform in bending in the X direction. For example, the blades have a thickness TI between 10 pm and a few tens of pm, a width Wl between 100 nm and a few micrometers, and a length LI between a few pm and a few tens of pm.
En el ejemplo representado, las palas 8 se extienden en un plano R medio de la viga paralela al plano YZ.In the example shown, the blades 8 extend in a mean plane R of the beam parallel to the plane YZ.
Las palas 8 están destinadas para ser ancladas en la parte S fija por un borde 8.2 paralelo al borde 8.1.The blades 8 are intended to be anchored in the fixed part S by an edge 8.2 parallel to the edge 8.1.
En la Figura 5, se puede observar un sistema 10 MEMS que implementa dos articulaciones 2. Las articulaciones 2 están ancladas en la parte M móvil de manera simétrica con respecto a un plano de simetría de la parte M móvil paralela al plano YZ.In Figure 5, a MEMS system 10 can be seen that implements two joints 2. The joints 2 are anchored in the mobile part M symmetrically with respect to a plane of symmetry of the mobile part M parallel to the YZ plane.
Las membranas 6 están ancladas en las caras M.1, M.2 paralelas de la parte M móvil.The membranes 6 are anchored on the parallel faces M.1, M.2 of the mobile part M.
Las palas están ancladas en la parte S fija.The blades are anchored in the fixed part S.
En la representación de la Figura 5, la parte M móvil tiene un movimiento fuera de plano hacia arriba, las membranas están deformadas en flexión y las palas 8 están deformadas en flexión en la dirección X. Las dos palas 8 también se deformarán en torsión alrededor del eje Y, lo que permite reducir la rigidez de la articulación.In the representation of Figure 5, the movable part M has an out-of-plane movement upwards, the membranes are deformed in bending and the blades 8 are deformed in bending in the X direction. The two blades 8 will also be deformed in torsion around of the Y axis, which allows to reduce the stiffness of the joint.
El funcionamiento de la articulación se describirá ahora utilizando la Figura 5.The operation of the joint will now be described using Figure 5.
Considerando la aplicación a un sensor, por ejemplo, un acelerómetro destinado para medir la aceleración en la dirección Z.Considering the application to a sensor, for example an accelerometer intended to measure acceleration in the Z direction.
Cuando la parte móvil tiene un desplazamiento fuera de plano bajo el efecto de una aceleración según Z, las dos membranas 6 están deformadas en flexión acompañando el desplazamiento de la parte móvil según Z, las palas 8 están deformadas en flexión a lo largo de la dirección X y también en torsión alrededor del eje Y.When the mobile part moves out of plane under the effect of an acceleration along Z, the two membranes 6 are deformed in bending accompanying the movement of the moving part along Z, the blades 8 are deformed in bending along the direction X and also in torsion around the Y axis.
Las deformaciones en flexión de las palas 8 según X permiten a las vigas 4 desplazarse en la dirección X, y a los bordes de las vigas 4, a los cuales se fijan los bordes 6.1 de las membranas, acompañar las membranas 6 en su deformación según la dirección X. Esto da como resultado una reducción de la variación de la rigidez de la estructura, y, por lo tanto, una reducción del grado de no linealidad. Las membranas están principalmente deformadas en la dirección Z y no se estiran más según X. Gracias a la invención, las articulaciones conservan un bajo grado de no linealidad incluso para los desplazamientos según Z de gran amplitud.The bending deformations of the blades 8 according to X allow the beams 4 to move in the X direction, and the edges of the beams 4, to which the edges 6.1 of the membranes are fixed, accompany the membranes 6 in their deformation according to the X-direction. This results in a reduction in the variation of the structure's stiffness, and therefore a reduction in the degree of non-linearity. The membranes are mainly deformed in the Z direction and are no longer stretched along X. Thanks to the invention, the joints retain a low degree of non-linearity even for large amplitude Z displacements.
La parte móvil es guiada según la dirección Z.The moving part is guided according to the Z direction.
Las articulaciones 2 presentan una gran rigidez según la dirección Y, por lo tanto, la parte móvil está muy bien mantenida en la dirección Y. Además, las articulaciones 2 también aseguran un mantenimiento de la parte M móvil en la dirección X. Con el fin de mejorar el mantenimiento en la dirección X, es ventajoso agregar al menos una tercera articulación 2, estando las tres articulaciones 2 distribuidas a 120° entre sí alrededor de la masa M' móvil como se representa de manera esquemática en la Figura 8.The joints 2 present a great rigidity according to the Y direction, therefore, the mobile part is very well maintained in the Y direction. In addition, the joints 2 also ensure a maintenance of the mobile part M in the X direction. To improve the hold in the X direction, it is advantageous to add at least a third joint 2, the three joints 2 being distributed at 120° to each other around the mobile mass M' as schematically represented in Figure 8.
En la Figura 9, el sistema incluye cuatro articulaciones 2 dispuestas a 90° entre sí. Cada articulación 2 está anclada en un borde de la masa M” móvil.In Figure 9, the system includes four joints 2 arranged at 90° to each other. Each articulation 2 is anchored to an edge of the mobile mass M''.
Las configuraciones de los sistemas de las Figuras 8 y 9 aseguran un muy buen mantenimiento de las partes M móviles en el plano XY y su guía en la dirección Z.The system configurations of Figures 8 and 9 ensure very good maintenance of the moving parts M in the XY plane and their guidance in the Z direction.
En la Figura 10, se puede observar otro ejemplo de realización de una articulación, en el cual las palas 8' se deforman casi únicamente en flexión en la dirección X. In Figure 10, another example of embodiment of a joint can be seen, in which the blades 8' deform almost only in bending in the X direction.
En este ejemplo la articulación incluye un par de palas 8' en cada extremo de la viga 4.In this example the joint includes a pair of blades 8' at each end of the beam 4.
Las palas 8' de cada par están posicionadas paralelas entre sí en el plano YZ. En este ejemplo, una de sus caras está alineada con una cara de la viga paralela al plano YZ. La implementación de dos palas 8' paralelas en cada extremo permite bloquear la deformación en torsión de cada una de las palas. Las dos palas 8' de cada par tienen de manera individual la tendencia a deformarse en torsión, pero en combinación cada pala 8' evita la deformación en torsión de la otra pala 8' durante el desplazamiento fuera de plano de la parte M móvil. Por lo tanto, las palas se deforman principalmente en flexión y acompañan el desplazamiento de la membrana 6 en el plano. La rigidez no lineal de la articulación se reduce sustancialmente.The blades 8' of each pair are positioned parallel to each other in the YZ plane. In this example, one of its faces is aligned with a beam face parallel to the YZ plane. The implementation of two parallel blades 8' at each end makes it possible to block the torsional deformation of each of the blades. The two blades 8' of each pair individually have a tendency to torsionally deform, but in combination each blade 8' prevents the other blade 8' from torsionally deforming during out-of-plane movement of the movable part M. Therefore, the blades deform mainly in bending and accompany the displacement of the membrane 6 in the plane. The non-linear stiffness of the joint is substantially reduced.
De preferencia, las membranas están estructuradas para presentar formas que aseguran una gran flexibilidad según Z y una gran rigidez en el plano, por ejemplo, incluyen travesaños o celosías y/o están perforadas.Preferably, the membranes are structured to have shapes that ensure high flexibility according to Z and high rigidity in the plane, for example, they include crossbars or trusses and/or they are perforated.
Por lo tanto, se constata que la rigidez de la articulación en las diferentes direcciones está determinada tanto por las dimensiones de la membrana como por las dimensiones de las palas, por tanto, es posible ajustar con precisión estas rigideces actuando en las dimensiones de la membrana y/o en las dimensiones de las palas. Aumentando el espesor de la membrana y/o el ancho de las palas, se aumenta la rigidez de las articulaciones, también se puede controlar el desplazamiento de la masa en la dirección Z.Therefore, it can be seen that the stiffness of the joint in the different directions is determined both by the dimensions of the membrane and by the dimensions of the blades, therefore it is possible to precisely adjust these stiffnesses by acting on the dimensions of the membrane. and/or in the dimensions of the blades. By increasing the thickness of the membrane and/or the width of the blades, the rigidity of the joints is increased, and the displacement of the mass in the Z direction can also be controlled.
La articulación presenta la ventaja de ofrecer una muy buena guía según Z siendo relativamente compacta debido a su bajo espesor.The joint has the advantage of offering a very good guide according to Z while being relatively compact due to its low thickness.
Se entenderá que las articulaciones pueden estar configuradas para permitir un desplazamiento deseado según la dirección X. En este caso, las palas pueden alargarse en la dirección de la viga y/o hacerse más finas, ofreciendo una determinada flexibilidad en la dirección X.It will be understood that the joints may be configured to allow a desired displacement along the X direction. In this case, the blades may be lengthened in the direction of the beam and/or made thinner, offering a certain flexibility in the X direction.
En la Figura 6, se puede observar otro ejemplo del sistema MEMS que comprende dos articulaciones dispuestas de manera simétrica con respecto a la parte M móvil y en el cual las palas 8 están ancladas en la parte M móvil y las membranas están ancladas en la parte S fija.In Figure 6, another example of the MEMS system can be seen that comprises two joints arranged symmetrically with respect to the mobile part M and in which the blades 8 are anchored in the mobile part M and the membranes are anchored in the mobile part. Be fixed.
El funcionamiento es similar al del sistema de la Figura 5. Se obtiene un muy buen mantenimiento en la dirección Y, y una guía según la dirección Z con un bajo grado de no linealidad.The operation is similar to that of the system in Figure 5. A very good hold in the Y direction is obtained, and guidance in the Z direction with a low degree of non-linearity.
En la Figura 7, se puede observar otro ejemplo del sistema MEMS que comprende cuatro articulaciones. Dos articulaciones 102 están ancladas a un primer borde M.1 de la masa M móvil y dos articulaciones 102 están ancladas a un segundo borde M.2 de la masa M móvil paralelo al primer borde.In Figure 7, another example of the MEMS system comprising four joints can be seen. Two joints 102 are anchored to a first edge M.1 of the mobile mass M and two joints 102 are anchored to a second edge M.2 of the mobile mass M parallel to the first edge.
En este ejemplo, la longitud Lb de la primera parte 104 es baja en comparación a la longitud Lm de las palas 108. Además, las membranas 104 presentan un gran ancho Lm con respecto a su longitud Lm.In this example, the length Lb of the first part 104 is short compared to the length Lm of the blades 108. Furthermore, the membranes 104 have a large width Lm relative to their length Lm.
A título de ejemplo, las articulaciones del sistema de la Figura 7 pueden presentar las siguientes dimensiones:By way of example, the joints of the system in Figure 7 can have the following dimensions:
Tm=1 |jm; Lm = 10 jm ; Wm = 35 jmTm=1 |jm; Lm = 10 jm ; Wm = 35 jm
Tb = 20 jm ; Lb = 10 jm ; Wb = 4 jmTb = 20 jm; Lb = 10 jm ; Wb = 4 jm
TI = 18 jm ; LI = 84 jm ; Wl = 1 jmIT = 18 jm ; LI = 84 jm ; Wl = 1 jm
Un conjunto de cuatro articulaciones presenta una rigidez de 80 N/mA set of four joints has a stiffness of 80 N/m
En la Figura 7, se puede observar la parte M móvil en el estado de reposo, y en una posición fuera de plano durante el desplazamiento. En el ejemplo representado, el desplazamiento en la dirección Z es del orden de 40 nm. Una tal estructura permite un desplazamiento comprendido entre aproximadamente 100 nm y aproximadamente 1 jm .In Figure 7, the mobile part M can be seen in the state of rest, and in an out-of-plane position during displacement. In the example shown, the displacement in the Z direction is of the order of 40 nm. Such a structure allows a displacement of between about 100 nm and about 1 μm.
Se entenderá que se pueden implementar más de dos articulaciones una al lado de la otra.It will be understood that more than two joints can be implemented side by side.
Además, se pueden implementar diferentes números de articulaciones ancladas a los bordes de la parte móvil.Furthermore, different numbers of joints anchored to the edges of the mobile part can be implemented.
Por ejemplo, se puede prever en el sistema de la Figura 7 implementar una articulación en el borde M.3 de la parte móvil y una articulación en el borde M.4 de la parte móvil.For example, provision can be made in the system of Figure 7 to implement a hinge on the edge M.3 of the moving part and a hinge on the edge M.4 of the moving part.
Las articulaciones de las Figuras 5 y 6 pueden ser combinadas, por ejemplo, la estructura incluye una parte móvil suspendida por dos articulaciones según la invención, una está solidarizada a la parte móvil por su segunda parte (Figura 5) y la otra está solidarizada a su parte móvil por sus terceras partes.The joints of Figures 5 and 6 can be combined, for example, the structure includes a mobile part suspended by two joints according to the invention, one is joined to the moving part by its second part (Figure 5) and the other is joined to its moving part by its third parties.
La articulación según la invención puede implementarse en sensores MEMS para lo cual se prevén medios de detección del movimiento de la masa según Z, por ejemplo, medios capacitivos o calibradores de tensiones piezorresistivas o piezoeléctricas. The articulation according to the invention can be implemented in MEMS sensors for which means are provided for detecting the movement of the mass along Z, for example, capacitive means or piezoresistive or piezoelectric voltage gauges.
La articulación según la invención puede implementarse en actuadores MEMS, para ello se prevén medios 12 de accionamiento de la parte móvil en la dirección Z, por ejemplo, medios electrostáticos representados de manera esquemática en la Figura 7. Los medios electrostáticos comprenden al menos un par de electrodos, estando uno formado en el sustrato bajo la parte M móvil y estando el otro electrodo formado en la parte M móvil al lado del electrodo en el sustrato S. La aplicación de una diferencia de potenciales genera fuerzas electrostáticas entre los dos electrodos y, por lo tanto, un desplazamiento fuera de plano de la masa M móvil con respecto al sustrato S.The articulation according to the invention can be implemented in MEMS actuators, for which means 12 are provided for actuating the moving part in the Z direction, for example, electrostatic means schematically represented in Figure 7. The electrostatic means comprise at least one pair of electrodes, one being formed on the substrate under the moving part M and the other electrode being formed on the moving part M next to the electrode on the substrate S. The application of a potential difference generates electrostatic forces between the two electrodes and, hence, an out-of-plane displacement of the mobile mass M with respect to the substrate S.
De manera muy ventajosa, un sistema MEMS que comprende las articulaciones según la invención puede ser utilizado para realizar un micrófono. En la Figura 7, la parte M móvil puede formar un pistón que puede desplazarse en Z bajo el efecto de un diferencial de presión entre sus dos caras, debido a una onda sonora.Very advantageously, a MEMS system comprising the articulations according to the invention can be used to make a microphone. In Figure 7, the mobile part M can form a piston that can move in Z under the effect of a pressure differential between its two faces, due to a sound wave.
La articulación y el sistema MEMS pueden ser fabricados de manera ventajosa por los procedimientos conocidos de la microelectrónica por deposición de capas y grabados. Por ejemplo, los ejemplos del procedimiento de fabricación descritos en el documento FR2941533 se puede implementar para realizar un tal sistema MEMS.The joint and the MEMS system can advantageously be fabricated by the known methods of microelectronics by layering and etching. For example, the examples of the manufacturing process described in FR2941533 can be implemented to realize such a MEMS system.
Por ejemplo, las membranas están formadas por la capa superior de un sustrato de silicio sobre aislante o SOI (Silicon on Insulator en terminología anglosajona) y la primera parte y las palas están realizadas por grabado y liberación. Como variante, las membranas están realizadas por la deposición de una capa de un espesor de algunas centenas de nm y la primera parte y las palas están realizadas por grabado y liberación.For example, the membranes are formed by the top layer of a silicon on insulator or SOI (Silicon on Insulator in Anglo-Saxon terminology) substrate and the first part and the blades are made by etching and release. As a variant, the membranes are made by deposition of a layer with a thickness of a few hundred nm and the first part and the blades are made by etching and release.
De manera muy ventajosa, al menos la primera parte y las terceras partes están realizadas en la misma capa en la cual están realizadas la parte móvil y una parte de la parte fija.Very advantageously, at least the first part and the third parts are made of the same layer in which the mobile part and part of the fixed part are made.
El sistema está realizado, por ejemplo, de material semiconductor, tal como el silicio o el SiGe. The system is made, for example, of semiconductor material, such as silicon or SiGe.
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